[发明专利]一种基于开关电容积分器的光纤陀螺前置放大电路

说明书

本发明公开了一种基于开关电容积分器的光纤陀螺前置放大电路，属于微弱信号检测和光纤陀螺惯性测量技术领域。所述开关电容积分器包括运算放大器、第一高速模拟开关、第二高速模拟开关以及精密电容；通过使用所述开关电容积分器代替原有光纤陀螺光电转换元件中的FET放大电路及其后续的级联放大电路，从而降低了电路复杂程度，减小了电路尺寸，而且不产生热噪声，提高了电路的信噪比，同时这种通过积分时间动态调整电路增益的方式，无需逻辑控制器多次累加模数转换器的采样数据，因而可有效降低模数转换器时钟频率，不仅有益于减小噪声与干扰，而且进一步降低了电路功耗。

技术领域

本发明属于微弱信号检测和光纤陀螺惯性测量技术领域，特别是涉及一种基于开关电容积分器的光纤陀螺前置放大电路。

背景技术

光纤陀螺是一种基于萨格纳克效应的角速度传感器，广泛应用于惯性测量领域。其中含有角速度信息的干涉光通过PIN光电二极管实现光电转换，PIN光电二极管也称PIN二极管，它是在两种半导体之间PN结的中间区域，即P区与N区之间生成I型层，吸收光辐射而产生光电流的一种光检测器，这种光检测器具有结电容小、渡越时间短、灵敏度高等优点。实测光纤陀螺样机中PIN二极管输出电流的典型值为几百微安，属于微弱信号的范畴，所以必须在PIN二极管的输出级引入信号放大电路，目前国内光纤陀螺大多使用PIN-FET组件，用于对干涉光信号进行光电转换及信号的初级放大。

图1是目前闭环光纤陀螺的结构示意图，其主要由光路与电路两部分组成，光路部分包括光源、耦合器、相位调制器及光纤环，其中光纤环做为敏感元件用于感知转速信号。电路部分则由光电探测器(PIN-FET组件)、级联放大电路、模数转换器(D/A)、逻辑控制器、数模转换器(A/D)以及用于驱动相位调制器的放大器组成。光纤陀螺中的电路部分用来提供附加相移用以补偿由于转速而造成的光纤环中两束干涉光之间的相位偏移，附加相移的多少取决于转速的大小。具体的反馈过程为PIN-FET组件将检测到的干涉光强转化为电压信号，电压信号经过级联放大电路滤波后通过模数转换器转化为数字信号交由逻辑处理器件进行运算处理，逻辑控制器再根据计算出的转速大小通过数模转换器及其后续放大器后输出调制方波到相位调制器上从而产生反馈相移，最终实现反馈控制。

光纤陀螺采用方波调制时，在输入一定转速下PIN-FET组件的输出曲线如图2所示，该曲线间接表示了光纤环中反向的两束光在不同时刻的干涉光强度，波形中的尖峰是光纤环中的干涉光强等于干涉曲线峰值时造成的。我们用A与B来分别表示输出光强的大小，其中光强A与光强B的差值即包含了输入转速的大小信息，在图2中将其定义为Derro，Derro＝A-B。

作为衔接光纤陀螺光路与电路的重要部分，PIN-FET组件是陀螺电路噪声的源头噪声，其噪声水平是影响光纤陀螺相关性能指标的重要参数。PIN-FET组件主要由两部分组成，如图1所示，一部分是PIN二极管1，另一部分是FET放大电路2。PIN二极管1与FET放大电路2之间采用跨阻抗连接，这种连接方式具有灵敏度高、带宽高等优点。但同时选用这种方式的直观缺点是引入了跨阻的热噪声。其次由于输入信号微弱，跨阻一般需要选择较大的电阻来获得可观的增益，大电阻的存在使得放大器在放大微弱信号的同时对噪声和干扰也非常敏感。为此，目前光纤陀螺在PIN-FET组件输出后的信号检测电路中仍需要采用多级放大与滤波的方式，用以在进一步放大有用信号的同时减小噪声与干扰。如图1所示，这种级联放大电路4无疑增加了电路复杂程度，同时也为降低陀螺功耗、实现陀螺小型化带来了困难。除此之外现有的信号放大电路在各器件参数选定后，增益也随之确定，不能动态调整增益为光纤陀螺的调试带来了一定的不便。